庫外固定式擋車器測繪及非線性有限元分析

徐美晨，張 霖

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

軌道車輛的質(zhì)量大，慣性大，而輪軌的摩擦力較小，故在線路末端設(shè)置擋車器等防護(hù)設(shè)備是一項十分必要的被動性安全措施。擋車器結(jié)構(gòu)在承受沖擊載荷作用時，須要有足夠的強度，以保證列車在不損壞軌道設(shè)施的情況下，可靠停在軌道線路內(nèi)[1]。因而對擋車器結(jié)構(gòu)的可靠性研究尤為重要，隨著有限元仿真分析方法的不斷完善，在擋車器結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，可通常運用有限元法對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析[2]。

本文以原吉林日報社倉庫軌道末端的固定式擋車器為研究對象，通過運用專業(yè)基礎(chǔ)課、核心課和方向課的知識和技能完成實地測繪、三維建模和接觸非線性分析。

1 擋車器結(jié)構(gòu)的測繪

尺寸測量是零件測繪過程中的一個必要步驟，測量的準(zhǔn)確性對于有限元模型構(gòu)建的正確性和數(shù)值法求解結(jié)果的可靠性具有重要作用。運用所學(xué)“公差及測量技術(shù)”和“軌道車輛新技術(shù)”課程的知識進(jìn)行擋車器結(jié)構(gòu)測量，在進(jìn)行擋車器現(xiàn)場測量時，發(fā)現(xiàn)擋車器表面已布滿鐵銹。為了保證測量的精確性，先用砂紙將鐵銹除去，再利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行多次測量取平均值。在測量擋車器立柱距軌面之間的距離時，利用卷尺和紅外線水平儀配合多次測量取平均值。擋車器主要部件測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1擋車器主要部件測量數(shù)據(jù)mm

部件尺寸工字型橫梁中心線板支撐架長358381595寬4611．51042高20151042

在考察擋車結(jié)構(gòu)特點之后，得知該擋車器屬于庫外固定式擋車器。庫外固定式擋車器是安裝在鐵路盡頭線防止車輛溜逸時撞擊車擋的安全設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，維護(hù)方便?？梢杂迷谲囕v編組較小，沖擊速度不高的場合，這正是其設(shè)置在貨運線末端的原因。

[指導(dǎo)教師]張 霖(1989- )，男，講師，碩士，從事數(shù)值仿真研究。

運用所學(xué)“CAD/CAM”和“SolidWorks基礎(chǔ)”課程的知識建立了該庫外固定式擋車器的三維幾何模型，強化了使用建模工具對車輛結(jié)構(gòu)繪圖和建模的技能。為保證擋車器三維幾何模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性與靈活性，構(gòu)建參考基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸。根據(jù)所測得數(shù)據(jù)，應(yīng)用Solidworks軟件將所有零部件構(gòu)建好之后，將各零部件按照擋車器的實際連接情況進(jìn)行裝配，以保證三維模型裝配的正確性[3]。

擋車器的三維幾何模型如圖1所示，其中庫外固定式擋車器的擋板通過兩個M20螺栓與工字型橫梁連接，兩根工字型橫梁通過七個M20螺栓與擋車器支架連接。由于螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件，在測量時僅需要測量螺栓直徑，通過查閱《機械設(shè)計手冊》可得到該直徑下螺栓結(jié)構(gòu)的詳細(xì)幾何尺寸。

圖1 擋車器三維幾何模型

圖2 擋車器有限元模型

2 接觸非線性有限元分析

基于構(gòu)建的庫外固定式擋車器三維幾何模型，運用所學(xué)“材料力學(xué)”“有限元及在車輛強度中應(yīng)用”和“機械優(yōu)化設(shè)計”課程的知識，對該擋車器中的螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸非線性有限元分析。主要包括橫梁結(jié)構(gòu)的靜強度分析，對吊座構(gòu)建實體接觸模型，采用接觸對定義連接關(guān)系，計算并評估結(jié)構(gòu)中橫梁和墊板連接區(qū)域的螺栓強度。

本次構(gòu)建的有限元模型全部采用三維實體單元，擋車器有限元模型如圖2所示。所構(gòu)建的擋車器有限元模型中三維實體單元總數(shù)為303692，其中六面體單元數(shù)為299038，占比98%，楔形單元數(shù)為4654，占比2%，單元類型均采用三維低階單元SOLID185。

圖3 螺栓接觸對模型

在模擬螺栓結(jié)構(gòu)載荷傳遞時，在接觸區(qū)域創(chuàng)建的接觸對采用的目標(biāo)單元為170，接觸單元為174，像皮膚一樣覆蓋在結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的有限元模型上。這兩類單元非常適合面對面接觸問題，如過盈裝配接觸、進(jìn)料接觸、鍛造和深拉深[4]。本次研究的方法具有較強的實踐性和普適性，是軌道車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析的一種重要方法[5]。在該擋車器有限元模型中總計9個螺栓，45個接觸對。接觸區(qū)域發(fā)生在螺母與墊板、墊板與橫梁以及橫梁與橫梁之間，如圖3所示為螺栓接觸對模型。

本次非線性有限元分析的工況為壓縮工況，主要模擬貨運列車在軌道線路末端撞擊擋車器的情況。擋車器設(shè)置在軌道線路末端，列車撞擊擋車器前已經(jīng)制動并滑行一定距離，因而撞擊擋車器的沖擊載荷可以等效為水平的靜載荷[6]。壓縮工況的靜載荷為158.1 t，施加于前端墊板面上。通過調(diào)用非線性求解器，得到該工況下?lián)踯嚻鹘Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，圖4為擋車器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

在壓縮工況下，該擋車器結(jié)構(gòu)整體的最大等效應(yīng)力發(fā)生在擋車器上部擋板邊緣處，由應(yīng)力云圖可知其值為651.212 MPa。通過對擋車器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖分析可知，該最大等效應(yīng)力為局部應(yīng)力，除去邊緣處的局部位置，其它位置處的等效應(yīng)力均在260 MPa以下。根據(jù)GB_T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，75號鋼等的屈服強度均達(dá)到880 MPa以上，而廣泛使用的45號鋼的屈服強度也達(dá)到了355 MPa。

在壓縮工況下，螺栓的最大等效應(yīng)力發(fā)生在螺栓桿根部，圖5為螺栓的應(yīng)力云圖，由圖可知其值為584.401 MPa。而本次計算選用的螺栓是強度等級為10.9的M20螺栓標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可知螺栓屈服強度為900 MPa，遠(yuǎn)大于螺栓的最大應(yīng)力584.401 MPa，因而擋車器中的9個螺栓結(jié)構(gòu)均滿足屈服強度要求。

圖4 擋車器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

圖5 螺栓的應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

(1)通過實地測量和運用三維軟件造型的方式，綜合運用理論知識和軟件技能解決了實際問題，將實際模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭汕蠼獾臄?shù)學(xué)模型，得到了庫外固定式擋車器的三維幾何模型。

(2)根據(jù)擋車器結(jié)構(gòu)中載荷的傳遞路線，充分考慮擋車器螺栓之間復(fù)雜的接觸關(guān)系，對擋車器模型進(jìn)行了靜強度的計算。計算結(jié)果表明：選用M20的螺栓，螺栓預(yù)緊力在15330N時，擋車器和螺栓結(jié)構(gòu)的強度是符合要求的。

(3)本文將結(jié)構(gòu)測量測繪、計算機建模和有限元分析三個專業(yè)技能結(jié)合，通過對原吉林日報社倉庫軌道末端的固定式擋車器進(jìn)行非線性有限元分析，為擋車器的螺栓設(shè)計提供了可行方案。

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[6]徐海鷹.摩擦型多排高強度螺栓連接分析[J].鐵道工程學(xué)報,2011,158(11):67-69.